Tollend elektron op de nanometer nauwkeurig te verplaatsen

12 mei 2009

Het is een team van onderzoekers gelukt om een enkel spinnend elektron te positioneren op een chip met een precisie van enkele nanometers. Hiermee ligt de weg open naar quantumchips met nano-elementen naar keuze. De resultaten zijn gepubliceerd in het gerenommeerde Applied Physics Letters.

Nanonaald

Vier nanodiamantjes netjes op een rij gelegd met de nieuwe positioneringstechniek.

Het elektron zit in een vooraf geselecteerd minuscuul diamantje. Een scherpe nanonaald kan het diamantje verplaatsen met behoud van alle unieke eigenschappen, hebben de onderzoekers aangetoond. Het team bestaat uit twee Leidse onderzoekers, dr.ir. Tjerk Oosterkamp en ir. Erwin Heeres, en vijf onderzoekers van het Kavli Institute of NanoScience Delft in dienst van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM). Bijzonder is ook dat het met een nieuwe techniek mogelijk is ‘live’ op nanometerschaal mee te kijken met het plaatsingsproces. Hiermee ligt de weg open naar het bouwen van quantumchips met nano-elementen naar keuze. Tot nu toe was het positioneren het grootste struikelblok voor diverse toepassingen zoals in een supercomputer, die hiermee weer een stapje dichterbij komen.

Supercomputer

Een nanodiamant met een enkel NV-centrum is verplaatst. De kleur geeft aan hoeveel licht er wordt uitgezonden van een bepaalde plek als daar laserlicht op schijnt. De structuur in het midden is een vooraf aangebrachte markering die het mogelijk maakt om het diamantje te vinden op de chip. Het diamantje lag eerst linksonder (waar nu geen licht meer te zien is), en is verplaatst naar rechtsboven waar het nu licht uitzendt.

Centrale doelen in de quantummechanica zijn het controleren van de wisselwerking tussen een quantummechanisch deeltje en zijn omgeving, en het zoeken naar mogelijke toepassingen hiervan. De quantummechanische tolbeweging (spin) van een elektron kan bijvoorbeeld gebruikt worden voor een extreem gevoelige magneetveldmeter, of als opslag- en verwerkingseenheid van quantuminformatie in een toekomstige supercomputer. Een quantumdeeltje met gunstige optische eigenschappen is inzetbaar als een enkelfotonbron of een enkelplasmonbron. Voor al deze toepassingen is nauwkeurige controle over de positie van het quantumdeeltje essentieel.

NV-centrum

Het koolstofrooster van diamant kan een uitgebreide variatie aan defecten bevatten met interessante optische en magnetische eigenschappen. Het Stikstof-Holte-centrum (NV-centrum), dat bestaat uit een stikstofatoom naast een missend koolstofatoom, de holte, is populair bij quantumfysici. Het NV-centrum is een zeer stabiele enkelfotonbron en in de spin van zijn elektronen kan quantuminformatie opgeslagen worden met een betrouwbaarheid die alle andere vastestofquantumbits verslaat. Deze eigenschappen blijven zelfs behouden op kamertemperatuur, wat extra interessant is voor toepassingen. Vele groepen over de wereld proberen dan ook het NV-centrum te koppelen aan fotonische en magnetische structuren op een chip, maar het nauwkeurig genoeg plaatsen van het NV-centrum was tot nu toe nog niet gelukt.

Elektronenmicroscoop

Boven: Een foton-correlatiemeting toont aan dat het verplaatste NV-centrum gebruikt kan worden als enkelfotonbron.
Onder: Coherente spinmanipulatie van het NV-centrum. Dit is een basisoperatie nodig voor toepassing in een quantumcomputer.

De onderzoekers gebruikten diamantjes ter grootte van slechts tientallen nanometers. Met optische metingen identificeerden zij eerst die diamantjes die een NV-centrum bevatten. Vervolgens heeft de scherpe naald deze diamantjes opgepikt en op de juiste plek neergelegd, mogelijk gemaakt door het realtimebeeld van een elektronenmicroscoop. Na het plaatsen hebben ze met optische metingen en met enkelspinmanipulatie aangetoond dat ze inderdaad een enkel NV-centrum hadden verplaatst, inclusief al zijn unieke eigenschappen.

Links

• Nanopositioning of a diamond nanocrystal containing a single nitrogen-vacancy defect center
  T. van der Sar, E.C. Heeres, G.M. Dmochowski, G. de Lange, L. Robledo, T.H. Oosterkamp, and R. Hanson. Applied Physics Letters 94, 173104 (2009).
• Website FOM 
• Twee filmpjes van de nauwkeurige positionering op de website van FOM

 

• elektronen
• kwantummaterie
• nanodiamant
• nanotechnologie